Linux实现的ARP缓存老化时间原理解析


一.问题

众所周知，ARP是一个链路层的地址解析协议，它以IP地址为键值，查询保有该IP地址主机的MAC地址。协议的详情就不详述了，你可以看RFC，也可以看教科书。这里写这么一篇文章，主要是为了做一点记录，同时也为同学们提供一点思路。具体呢，我遇到过两个问题：

1.使用keepalived进行热备份的系统需要一个虚拟的IP地址，然而该虚拟IP地址到底属于哪台机器是根据热备群的主备来决定的，因此主机器在获得该虚拟IP的时候，必须要广播一个免费的arp，起初人们认为这没有必要，理由是不这么做，热备群也工作的很好，然而事实证明，这是必须的；

2.ARP缓存表项都有一个老化时间，然而在linux系统中却没有给出具体如何来设置这个老化时间。那么到底怎么设置这个老化时间呢？

二.解答问题前的说明

ARP协议的规范只是阐述了地址解析的细节，然而并没有规定协议栈的实现如何去维护ARP缓存。ARP缓存需要有一个到期时间，这是必要的，因为ARP缓存并不维护映射的状态，也不进行认证，因此协议本身不能保证这种映射永远都是正确的，它只能保证该映射在得到arp应答之后的一定时间内是有效的。这也给了ARP欺骗以可乘之机，不过本文不讨论这种欺骗。

像Cisco或者基于VRP的华为设备都有明确的配置来配置arp缓存的到期时间，然而Linux系统中却没有这样的配置，起码可以说没有这样的直接配置。Linux用户都知道如果需要配置什么系统行为，那么使用sysctl工具配置procfs下的sys接口是一个方法，然而当我们google了好久，终于发现关于ARP的配置处在/proc/sys/net/ipv4/neigh/ethX的时候，我们最终又迷茫于该目录下的N多文件，即使去查询Linux内核的Documents也不能清晰的明了这些文件的具体含义。对于Linux这样的成熟系统，一定有办法来配置ARP缓存的到期时间，但是具体到操作上，到底怎么配置呢？这还得从Linux实现的ARP状态机说起。 如果你看过《Understading Linux Networking Internals》并且真的做到深入理解的话，那么本文讲的基本就是废话，但是很多人是没有看过那本书的，因此本文的内容还是有一定价值的。

Linux协议栈实现为ARP缓存维护了一个状态机，在理解具体的行为之前，先看一下下面的图(该图基于《Understading Linux Networking Internals》里面的图26-13修改，在第二十六章)：